Реферати статті публікації

Пошук по сайту

Головна » Реферати та статті » Фізика » Фізика твердого тіла

Антиферромагнетизм и ферримагнетизм

Модель магнитного упорядочения, при котором твердое тело
не проявляет значительной намагниченности из-за того, что
соседние диполи антипараллельны по отношению друг к другу,
была предложена Неелем 22. Этот тип упорядочения был назван
антиферромагнетизмом, и в настоящее время выявлено
множество твердых тел, обладающих подобными свойствами23.
Состоянию с минимальной энергией двух соседних
магнитных атомов, для реализации которого требуется
антипараллельная ориентация их спинов, в модели Гейзенберга, очевидно,
соответствует отрицательное значение обменного интеграла /е.
Однако существование отрицательного значения Je еще не является
достаточным условием для возникновения
антиферромагнитного упорядочения в реальном трехмерном кристалле. Кристалл
должен также обладать таким трехмерным расположением
магнитных ионов, которое способствует образованию
магнитных подрешеток с противоположно направленными намаг-
22 Теория антиферромагнетизма, предложенная Неелем [Neel L.— Ann.
Phys., 17, 5 (1932)], была видоизменена Ван-Флеком [van Vleck J. H.— J.
Chem. Phys., 9, 55 (1941)] и в таком виде применяется в настоящее время.
23 Информация о многих антиферромагнитных телах собрана в
таблицах в источниках, указанных в примечании 11.
552 Гл. 5. Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел
»Rb ©Mn 0F
Рис. 5.22. Структура и упорядочение
в антиферромагнетике на примере
RbMnF3. а — структура кристалла
RbMnF3; б — размещение ионов Мп2+
в двух подрешетках с
противоположной ориентацией спинов; в —
температурные зависимости равных и
противоположно направленных на-
магниченностей двух подрешеток
[Смарт Дж. Эффективное поле в
теории магнетизма.— М.: Мир, 1968].
ниченностями. При описании некоторых кристаллических
структур оказывается удобным представить, что магнитные ионы
расположены в четырех и более подрешетках. Однако можно
показать, что для общего представления об
антиферромагнетизме достаточно ограничиться простейшим случаем, когда
имеются всего две противоположно направленные магнитные
подрешетки. Проиллюстрировать это можно на примере ионов
Мп2+ в соединении RbMnF3 (рис. 5.22).
Кристаллическая решетка RbMnF3 позволяет разделить всю
систему ионов Мп2+ на подрешетку Л, в которой каждый ион
окружен шестью ближайшими магнитными соседями,
принадлежащими подрешетке В, и подрешетку Ву в которой каждый
ион также имеет шесть ближайших магнитных соседей, но из
подрешетки Л. Таким образом, если между соседними
магнитными атомами обменное взаимодействие оказывается отрица-
5.2. Магнитные свойства твердых тел
553
тельным и все обменные интегралы Je для более удаленных
соседей можно считать равными нулю, магнитные моменты под-
решеток А и В спонтанно ориентируются во взаимно
противоположных направлениях. Антиферромагнитное упорядочение
должно быть полным при абсолютном нуле, но оно начинает
нарушаться при повышении температуры и исчезает полностью
при температуре Нееля TN.
Чтобы описать влияние обменного взаимодействия на
ориентацию спина магнитного иона, можно опять воспользоваться
представлениями теории молекулярного поля. Молекулярное
поле, действие которого испытывает на себе ион Мп2+,
принадлежащий подрешетке А (рис. 5.22), по аналогии с
соотношением (5.87) для ферромагнетика можно описать выражением
НА=-уМв. (5.97)
Тогда по аналогии с уравнением (5.88) намагниченность под-
решетки А будет равна
МА = (С12Т)[Н—уМв]9 (5.98)
где Н — любое нелокальное магнитное поле, а С/2 —
константа Кюри для половины магнитных ионов кристалла. Точно
так же намагниченность подрешетки В будет равна
Мв = (С/2Т) [Н—уМА]. (5.99)
Для совместного решения уравнений (5.98) и (5.99)
необходимо, чтобы МА и Мв не были равны нулю в отсутствие
внешнего поля при температуре, равной или меньшей TN=(yC/2).
Наблюдаемая величина магнитной восприимчивости может
быть определена из уравнений (5.98) и (5.99) таким же
образом, как это было сделано выше при получении соотношения
(5.90) для ферромагнитных твердых тел.
Из этих двух уравнений находим, что
fc_ мл±мв __£_. T>7V (5.100)
Приведенное выражение недостаточно хорошо согласуется
с экспериментальными данными. В действительности
поведение антиферромагнетика при высоких температурах
подчиняется следующей формуле:
Хт=Т^"> T>TNt (5.101)
а отношение Q/TN обычно больше единицы. Это противоречие
можно объяснить в рамках более сложных моделей
магнитного взаимодействия, которые учитывают влияние не только
554 Гл. 5. Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел
ближайших, но и более удаленных магнитных атомов.
Проверить это мы предлагаем читателю в задаче 5.11.
Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков
уменьшается с понижением температуры ниже температуры Нееля, как
следует из рис. 5.11,6. Причина состоит в том, что обменные
взаимодействия «запирают» магнитные моменты в состоянии
антипараллельного упорядочения, что подавляет реакцию на
приложенное магнитное поле. Магнитная восприимчивость
монокристаллического образца ниже температуры Нееля обычно
имеет значительную анизотропию, поскольку много легче
слегка «наклонить» все спины приложением магнитного поля,
перпендикулярного цепочкам противоположно направленных
спинов, чем вызвать «опрокидывание спинов» полем,
направленным вдоль этих цепочек.
В 1948 г. Неель24 рассмотрел, что произошло бы, если
магнитные ионы в кристалле можно было бы разделить на две
группы или две подрешетки с неравными магнитными
моментами. Если молекулярное поле, действие которого испытывает
на себе ион подрешетки А со стороны магнитных соседей из
подрешетки В (и наоборот), определяется отрицательным
обменным интегралом, то такое твердое тело является ферримаг-
нетиком; при низких температурах оно обладает спонтанной
намагниченностью, определяемой разностью намагниченностей
двух подрешеток.
Предложенное Неелем понятие ферримагнитного
упорядочения было сразу использовано для объяснения магнитных
свойств целой группы твердых тел — ферритов. Состав
ферритов имеет общую формулу МО • Fe203, где М — двухвалентный
металлический катион, например Fe, Ni, Со, Си, Mg, Zn или
Cd. Таким образом, группа ферритов включает в себя и
Fe304 — природный магнетит, который использовали древние
мореплаватели. Магнитный момент магнетита (только 4\хв на
молекулу) много меньше той величины, которую можно было
ожидать при обычном ферромагнитном упорядочении всех
спинов. Неель показал, что такой магнитный момент
обеспечивается одним лишь ионом Fe2+ в молекуле, в то время как два
иона Fe3+ каждой молекулы занимают неэквивалентные
кристаллографические положения и принадлежат двум
противоположно направленным магнитным подрешеткам.
Спонтанная намагниченность ферримагнетика уменьшается
от некоторого максимального значения при очень низких
температурах до нуля при верхнем пределе по температуре Г/, что
в общих чертах подобно поведению ферромагнитного
материала. При этом соображения, изложенные при выводе уравне-
24 Neel L.— Ann. Physique, 3, 137 (1948).
5.3. Магнитный резонанс
555
ния (5.93), сохраняют силу и для данной ситуации. При
температурах, превышающих Г/, поведение магнитной
восприимчивости оказывается более сложным, чем следует из закона Кюри—
Вейсса, что представлено пунктирной кривой на рис. 5.11, г.
Неель24 показал, что обратную величину магнитной
восприимчивости можно представить выражением (см. задачу 5.12):
(1/зьО- (^f1) -ЫЬг)' т>т„ (5102>
где С — как и ранее, константа Кюри, W и 6о—константы,
величины которых определяются различными значениями
коэффициентов молекулярного поля (или обменных интегралов),
а 6 — параметр, численное значение которого заметно
меньше Г/.
Существует заметный практический интерес к магнитным
свойствам некоторых кристаллов из семейства ферритов,
которые кристаллизуются в структуре шпинели. Эти материалы
являются диэлектриками, а именно это свойство магнитных
материалов требуется для многих практических целей. Созданы
ферриты, обладающие практически прямоугольной петлей
гистерезиса; такие тороидальные ферритовые сердечники стали
основой запоминающих устройств в большинстве компьютеров,
созданных в 1960-х и начале 1970-х годов.
Другой группой ферримагнетиков, представляющей
значительный интерес для практических целей, являются гранаты на
основе железа — вещества состава M3Fe50i2, где М — катион
трехвалентного металла, такого, как иттрий или одного из
редкоземельных элементов. Гранаты использовались в
экспериментах по магнитному резонансу и при исследованиях
взаимодействий спиновых волн.
Термины ферромагнетизм, ферримагнетизм и
антиферромагнетизм описывают лишь простейшие из возможных типов
спонтанного магнитного упорядочения в кристаллических твердых
телах. Имеются твердые тела, в которых конфигурация с
минимальной энергией требует геликоидального (винтообразного)
упорядочения спинов, и другие твердые тела, в которых спины
подрешеток скорее наклонены относительно друг друга, чем
просто взаимно противоположны.

Ви переглядаєте статтю (реферат): «Антиферромагнетизм и ферримагнетизм» з дисципліни «Фізика твердого тіла»